3D打印用于熔模鑄造 - 為什么混合方法比金屬燒結(jié)法更有優(yōu)勢
在全世界眾多的鑄造廠中，類似于Aristo Cast Inc.這樣的鑄造廠還是為數(shù)不多的。該鑄造廠位于美國密歇根州，是多種獎項獲得者，同時也是全球七大可以鑄造鎂的鑄造廠之一。
幾十年來，該鑄造廠一直為航空航天、汽車、藝術(shù)等領(lǐng)域提供3D打印鑄件，正因如此，該鑄造廠不認為自己受到直接金屬加工技術(shù)崛起的威脅。同時，他們認為增材制造的鑄件，即3D打印與金屬鑄造的混合是一種未來技術(shù)。
已經(jīng)是我們合作十多年的客戶了，我們曾問過該公司的首席執(zhí)行官Jack Ziemba這樣的話，“金屬鑄造的幾何極限在哪里？什么樣情況下，你會說一個零件適合直接打印，而不是鑄造？”他也肯定的回答我們，
“我們永遠不會說這樣的話，幾乎沒有什么零件是不能鑄造的?！?/span>
但是，每當說起Desktop Metal這樣專業(yè)從事金屬增材制造的公司，在過去的幾年中已經(jīng)籌集數(shù)億美元的投資時，Jack Ziemba的說法聽起來就顯得非常大膽。不過這并不意味著他言之不實，我們可以從頭開始了解。
1995年，Jack Ziemba決定把他的鑄造廠D&N Castings改名為Aristo Cast，在之后的發(fā)展中Aristo Cast贏得了眾多的獎項和各個行業(yè)的知名客戶。該鑄造廠主要專注于稀有合金和輕合金的生產(chǎn)，同時它還是全球僅有的七家可以做鎂合金熔模鑄造的廠家之一。為了保持長久的競爭力，他們特別重視現(xiàn)代化的、創(chuàng)新的模型模具制造技術(shù)。
早在1998年，Aristo Cast就將蠟型的3D打印整合到他們的生產(chǎn)中，隨后在2003年建立了一個先進的技術(shù)中心，配備了先進的增材制造設(shè)備、鎂鋁鑄造設(shè)備以及數(shù)控加工設(shè)備。2011年，Aristo Cast開始使用維捷voxeljet的3D打印PMMA蠟?zāi)?，并在其技術(shù)中心增加了一套VX1000。美國的熔模鑄造協(xié)會曾給Aritso Cast頒發(fā)過好幾個獎項，這就很好的肯定了Aristo Cast的發(fā)展戰(zhàn)略是有效的、成功的。
粘合劑噴射或直接金屬激光燒結(jié)？這些標準是決定性的
多年來，金屬的直接增材制造技術(shù)一直在擴大市場份額，其中有些應(yīng)用案例會讓人對熔模鑄造的未來產(chǎn)生疑問。 那么，Jack Ziemba的說法如何才能合理化？熔模鑄造的未來是什么？打印熔模鑄造和直接激光燒結(jié)技術(shù)之間有什么區(qū)別？
在3D打印的領(lǐng)域中，逐層堆疊的工藝技術(shù)使得零件的幾何復(fù)雜度變得不再那么明顯。Aristo Cast就使用3D打印的PMMA模型來生產(chǎn)各種形狀的零件，甚至于那些壁厚薄至0.5毫米的產(chǎn)品。與直接激光燒結(jié)相比，PMMA模型的鑄件在尺寸方面具有很大的優(yōu)勢。VX1000的構(gòu)建體積為1000 x 600 x 500毫米，為大尺寸的單個零件或大量的小尺寸零件提供了足夠的空間，它使Aristo Cast能夠生產(chǎn)重量從幾克到15公斤的鑄件。對于非常復(fù)雜的零件，唯一可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)就是給打印好的PMMA模型上涂料。即使對于這些罕見的特殊情況，Aristo Cast團隊也有解決辦法。
Aristo Cast和多數(shù)鑄造廠一樣在合金的選擇方面沒有限制，提供鋁、鎂、鈷、銅、鎳、鋅和各種鋼，只有那些必須在真空中鑄造的合金目前暫不提供。相反的是，直接激光燒結(jié)系統(tǒng)只有很少金屬材料可供選擇，目前可用的材料主要是鋁合金與鋼合金。由于輕合金的強烈反應(yīng)，直接金屬打印鎂合金還很遙遠。
生產(chǎn)周期短經(jīng)常被認為是直接激光燒結(jié)的最大優(yōu)勢之一，因為該系統(tǒng)可以直接制造出最終的零件。但是經(jīng)常被忽略的是，直接激光燒結(jié)的零件還需要進行燒結(jié)或熱等靜壓處理，以使零件可以達到設(shè)計性能。Aristo Cast使用3D打印PMMA模型，也能在72小時內(nèi)交付鑄件。
對于一個重約1公斤的零件，直接激光燒結(jié)需要大約100公斤的粉末。采用鑄造，只有需要的部分才會被熔化。由于采用了現(xiàn)代模擬軟件，它可以精確的控制需要熔化的金屬重量。然而，由于金屬粉末生產(chǎn)的復(fù)雜性，材料成本顯得更加昂貴，鋁粉的成本約為每公斤600歐元。特種鋼合金很快就能賣到1300歐元每公斤。另一方面，對于鑄造而言，每公斤鋁的成本約為6.50歐元，每公斤鋼的成本為32歐元。根據(jù)Aristo Cast的經(jīng)驗，3D打印加熔模鑄造通常情況下比直接激光燒結(jié)更便宜。
在實踐中，熔模鑄造和直接激光燒結(jié)零件都經(jīng)常用于航空航天工業(yè)。在這里，鑄造有一個非常大的優(yōu)勢——認證。幾十年來，鑄造已被認證為可在空中使用。然而，直接用金屬打印的零件，往往要經(jīng)過漫長而昂貴的認證過程，才能被批準在實際中使用。這反過來又為鑄造帶來了時間和成本上的優(yōu)勢。
節(jié)省材料意味著節(jié)省成本--增材制造的力量
特別是在航空航天領(lǐng)域，也就是Aristo Cast十多年來提供服務(wù)的主要行業(yè)之一，3D打印與熔模鑄造相結(jié)合的優(yōu)勢尤為明顯。許多訂單都是所謂的 “遺留部件”，這些零件由于年代久遠已經(jīng)沒有任何設(shè)計圖紙了。這些都可以在Aristo Cast使用現(xiàn)代掃描技術(shù)進行數(shù)字化。數(shù)字數(shù)據(jù)集可以打印出來直接鑄造，或者可以在功能或重量方面進行優(yōu)化。
關(guān)于Aristo Cast和歐特克公司的一個令人印象深刻的合作案例已經(jīng)在2017年向市場發(fā)布。利用拓撲優(yōu)化技術(shù)，歐特克設(shè)計了一種具有非凡仿生結(jié)構(gòu)的飛機座椅框架原型。由于框架的復(fù)雜性和巨大尺寸，傳統(tǒng)制造或直接的金屬3D打印技術(shù)都不是最佳選擇。因此，歐特克求助于Aristo Cast公司，該公司在VX1000上打印了一個框架的PMMA模型，然后用鎂合金鑄造。結(jié)果不言而喻：座椅框架比目前安裝的版本輕了30%。一架A380飛機全部安裝這些框架，按100架飛機20年壽命計算，由于降低了油耗，可以節(jié)省超過2.2億美元。
由于使用了3D打印和熔模鑄造，生產(chǎn)本身也大大降低了成本。通過打印鑄造，生產(chǎn)成本約為4000美元。通過直接激光燒結(jié)，該座椅框架將花費12,000美元。此外，目前沒有任何一種直接激光燒結(jié)系統(tǒng)能夠一體化的生產(chǎn)該部件，更不用說用鎂合金制造框架來實現(xiàn)輕量化。
給下一代人敲響警鐘。想想3D（打印）吧
"雖然今天打印鑄件已經(jīng)被廣泛用于各行各業(yè)，但其潛力在很大程度上仍被年輕的工程師所低估"，市場對日益復(fù)雜的部件的需求正在持續(xù)上升?？蛻魜碚椅覀?，往往是因為他們曾試圖直接用金屬打印一個零件，卻發(fā)現(xiàn)它不起作用，并因此而損失了寶貴的時間。
Jack Ziemba, CEOAristo Cast
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